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创新型干气密封在乙烷泵上应用

  美国一家NGL天然气凝液生产厂特殊分馏设备生产情况展示:怎样才能分析出液态碳氢化合物输送泵在特殊压力条件下密封件即将发生的故障,如何利用密封系统结构设计来彻底地解决问题。德克萨斯州休斯顿的这套流程设备把NGL液化混合天然气分馏成纯的液化气体,例如分馏成纯乙烷,丙烷,丁烷,异丁烷和汽油。

  这一设备的核心部件是它的乙烷喷射泵,这台乙烷喷射泵的工作压力范围在28~76 bar之间。喷射泵入口处的乙烷温度不得超过16℃,只有这样乙烷喷射泵轴密封的蒸汽压力才不会过低。但在气候条件的影响下此处的温度常常会明显地升高,乙烷受热蒸发,密封件失效,产品损失等等都是它带来的恶果。

  美国德克萨斯州休斯敦NGL液化天然气厂中使用的Sulzer公司研发生产的乙烷泵,从2011年起改用Eagle Burgmann公司研发生产的创新性密封解决方案DF-DGS6之后无故障地运行至今

  原来的液态乙烷输送泵难题的解决方案是使用有着Diamond-Face涂层的滑动密封件,但这种密封件是针对纯气体介质研发设计的Eagle Burgmann公司的DF-DGS6型滑动密封件。这种创新性的密封解决方案自上市以来就被视为一种非常可靠的、长寿命的低压蒸汽介质密封解决方案,并迅速在世界各地得到推广、应用。它替代了液态润滑的密封件,因为液态润滑密封件在恶劣的工作条件下和在含有相变的介质密封中是不适用的。

  为什么液态润滑的密封件会被淘汰?原因是“旋转设备”在工作时常常没有考虑被泵送介质可能发生的相变过程。并且重要的是在设备启动、缓慢转动或在备用状态下,密封系统的工作条件都是无法准确预测的,都无法保证轴密封的滑动表面有着足够的液态润滑介质。不同相工况的评估会告诉我们,这些情况给滑动密封系统的可靠性带来什么样的影响。

  •启动阶段:输送泵开始吸入液体介质。液体乙烷在吸力作用下进入密封的滑动表面,并因压力下降而在滑环和静环之间的缝隙中气化。有时候这一过程会持续相当长的时间,直到密封空间里重新获得正常的、超过了介质蒸发的压力为止。而此时,密封面间的热量,即便是非常低的一点热量也可以将液体介质的压力提高,提高到足以使密封面间隙中的液体蒸发。滑动表面的破坏就是它们带来的恶果,表面损毁的图片就是最清楚的表述。

  •缓慢运转:低速旋转时的问题与启动时的问题相同,但后果更加严重。因为没有足够高的转速就不会得到最终所需的高压力。而密封空间中的压力不能快速升到理想高度来保证乙烷蒸发压力之间有着足够的压力差。这样,滑动表面间的温度会升高,润滑不良的概率会增加,同时密封失效的概率也提高了。

  •备用状态:此时的工作条件是相似的,除非密封件静置几个月没有清洗。当密封件处于库存备用状态时,滑动表面会积累一些污垢,并且会在密封件周围越积越多,从而给密封空间带来一些不利影响。

  •高效工作运行时:当输送泵在最佳工作点之外的条件下以及在错误的工作参数条件下,运行时都要消耗更多的驱动能源并损失一些输送功率。这两种情况都在保持与蒸发压力的压力差方面有不利影响——会在滑动表面出现失油干运行情况。

  其他的工作状态,即那些对评估密封性能如何有意义的工作情况为:介质的温度波动,经常的启动-停止,操纵错误。

  在我们介绍的实例中,德克萨斯生产厂乙烷泵的平均无故障工作时间MTBF大约是3周多一点。

  毫无疑问,必须采取措施避免密封件的失效及因其失效而带来的产品损失和设备利用率下降。Eagle Burgmann公司在与用户的合作中,对密封件失效的原因进行了分析,由其应用技术工程师和设计工程师组成的专家组努力开发性能可靠的、永久性的密封解决方案。

迎接新的挑战

  在与介质蒸发压力曲线,例如本例所述乙烷蒸发压力曲线有较小的安全间距情况下使用密封件时,有一点是共同的,液态会经过渡阶段而转化为气体。因此,理想的密封解决方案应是“液态润滑的气体密封”。为实现这一理想,人们对多种密封方案进行了尝试。

  Eagle Burgmann公司的产品系列中已经有气体润滑的泵用密封产品了。在生产使用过程中,这种密封件的滑动表面是非接触式的,有一层稳定的气膜。密封件可以是充满压力的惰性气体气膜的复式密封件,也可以是与产品接触侧受到液态介质压力作用、在大气侧受到无压力气体密封的复式密封件。这种气体润滑的复式密封件是这种使用情况下理想的密封件,但在实践中常常会有不可预测的介质气相过渡带来的特殊工况和其他恶劣工况。

  有些密封件生产厂家,其中就包括Eagle Burgmann公司在内已经在很长时间前就成功提供这种气体润滑的泵用密封件了。但在恶劣的工作条件下它们也常常失效,因为气体润滑密封件需要连续性向滑动表面的间隙处提供干净、纯洁的润滑气体。若遇到前面提到的可能原因时,这样的气体润滑解决方案就具有很大的失效风险。

  休斯敦生产厂可以应用的另一个解决方案就是,由泵的压力侧直接向密封空间提供有压力的液态润滑密封件。这就保证了可以提供很高的密封压力。

  但这样的密封系统也会不断的失效,尤其是在炎热的夏天、当温度升高的时候。原因何在?就像前面介绍过的那样,当温度升高时液态乙烷挥发成了气体。为了保证液体介质始终保持其液体状态,就必须保持特定的温度和特定的压力(16℃时大约21~28 bar)。当输送泵在最佳工况下运行时,温度和压力都会保持在理想工作点处:乙烷以液体形式流经输送泵,在轴密封处保持其液体形态。当外部的环境温度因季节变换而提高时,输送泵内部的温度也会相应提高,乙烷就会挥发成气体、进入滑动密封面的缝隙之中。

创新型干气密封在乙烷泵上应用

无法估算的气相过渡

  液体润滑的滑动密封件是针对泵送液体介质而设计的。使用时,液体介质会进入到滑动密封的缝隙中去并对滑动表面进行润滑。若这层润滑膜被液体介质中的气体撕破,则滑动表面就会处于失油干摩擦的状态中了,并因此而受损。但在实践中,很多液体乙烷应用中的液体润滑密封件都没有问题。之所以这样是因为它们有着稳定的工作条件。当工作条件变化很大时,这样的液体润滑密封件就不能保证完全正常的发挥作用了。

  气体润滑的大型密封件能够很好地完成乙烷液体的密封,然后就只需在密封件中输入气态密封介质。为了能使液体乙烷转化为气态的形式,不是降低压力就是使蒸汽压力明显的高于密封压力。通过加热可以快速的实现这样的效果,但当采用外部热源加热时,会使整个密封系统变得结构非常复杂,密封系统的维护保养费用也很高,这都不符合使用者的初衷。

  结构设计方面的性能匹配,例如很小的密封间隙和密封件产品侧的迷宫结构能够产生紊流。紊流的液体摩擦会产生一定的热量 , 也会附带的在滑动表面产生热量:密封缝隙越小,泄漏也就越小,发热也就越大。长期连续工作时所产生的热量已足够多了,在启动阶段、缓慢旋转阶段或者备用时(即没有摩擦热时)仍然是有一定风险的。

非同寻常的干气密封

  Eagle Burgmann公司的专家团队开发了一种非同寻常的解决方案:为什么不把压缩机的密封结构特性用到液体密封中来呢——即把气体密封件的密封特性移植到液体密封中呢?

  Dry Gas Seals(干气密封),简称为DGS的密封方案是在空气压缩机中已经被证实了的可靠轴密封解决方案。它有着较宽的密封面,其结构中有(直接的或者间接的)气体密封槽。这些槽使得密封系统工作时能够产生“悬浮”,使滑动表面不相互接触。像液体润滑的密封系统,在失油干运行时会带来滑动表面的磨损损伤一样,Dry Gas Seals密封系统在滑动表面相互接触时也会带来磨损,最终会导致密封失效。由于压缩机工作时也有一些不利于密封系统的恶劣工作条件和工作环境:在减速运行(缓慢的、压缩机受调节控制的停机过程)时,在低速运行和周期性旋转(在规定的时间间隔内轴旋转90˚)时,正常工况下相互不接触的滑动表面也会相互接触,因而也会因相互接触而出现磨损。

  为了解决这种不利的情况带来的损害,Eagle Burgmann公司为DGS密封系统研发了滑动表面专用的、创新性的微晶金刚砂涂层,并成功地使用了这种涂层DiamondFace。这种涂层材料有着很高的硬度和耐磨性、出色的导热性、最高的耐化学腐蚀性和很低的摩擦系数。而且它的附着力也超过了所有已知的实用要求。已经证实它使滑动密封有着几倍长的使用寿命,密封系统的维护保养周期也相应地延长了,密封系统总寿命周期的成本也明显降低了。

适合于易挥发介质的解决方案

  休斯敦生产厂改用了DF-DGS6型的乙烷泵,并于2011年7月正式投产使用。这种型号输送泵的密封解决方案是能够在液态或者气态密封状态下都安全、可靠地密封被输送的液态乙烷。在液相和气相的相变过程中,即可能导致失油干运行和滑动表面接触的情况下,滑动表面的DiamondFace涂层都能保证密封系统不受损害。而且在采用这种密封系统之后乙烷泵的工作方式也变得更加简单了,密封件可以在无需任何冲洗(API Plan 02)的情况下工作运行。原来使用的过滤器以及过滤器的维护保养也都省略掉了。

  据设备运营商介绍:使用几个月之后输送泵的气体泄漏减少了83%,最好的时候减少了90%。

  使用8个月之后,为保养输送泵的叶轮而停止了输送泵的工作。运营商也想借此机会对密封系统进行一次动态测试,以便能够与原定的使用期限进行对比。为此,他们拆下了密封件,交由美国休斯敦的Eagle Burgmann公司进行检验。结果是密封件的滑环没有一点摩擦的痕迹,就像新的一样。在清理了其他的密封元件之后,就在检测试验台上对重新组装的DF-DGS6密封件进行测试。由于密封系统处于完好无损的状态,因此得出了非常出色的检测结果(密封系统的泄漏量小于验收时的检测值)。因此生产厂家没有采取其他任何措施就把它们重新安装到输送泵中使用了。从那时起,密封系统就毫无问题地运行到现在。利用DF-(P)DGS6密封解决方案可以使密封系统的使用寿命长达5年以上。

  从那时起,Eagle Burgmann公司DF-(P)DGS6(其中的‘P’表示高压力变型)已经成功的在世界各地的150多个不同的NGL天然气凝液生产设备中使用了,不久前也在二氧化碳领域中有应用。


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